JPH05321576A - シールドマシンの掘進方向決定方法及び掘進制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 曲がった計画線に沿って更に精度良く掘進制
御を行うシールドマシンの掘進方向制御方法を提供する
ことを目的とする。 【構成】 計画線の軌跡を一定距離毎の座標データとし
て予め記憶し、該一定距離の掘進を行う毎に、該シール
ドマシンの所定の２か所の理想移動地点の座標を該計画
線データから求め、これら２か所の理想移動地点を結ぶ
方向を次に掘進すべき目標方位角と決め、更に、該シー
ルドマシンが実際に向いている実測方位角と該目標方位
角との差を零にするようにシールドマシンの掘進方向を
補正することとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シールドマシンを計画
線に沿って掘進させるためのシールドマシンの掘進方向
制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、予め設定された計画線に沿ってシ
ールドマシンを掘進させるために、シールドマシンの制
御装置に予め計画線の座標を示す計画線データを記憶し
ておき、ジャイロコンパスでシールドマシンの姿勢角を
検出し、掘進距離Ｌと姿勢角に基づく三角関数演算等に
よってシールドマシンの現在位置の座標を求め、更に、
距離Ｌだけ掘進したときの理想の移動座標を計画線デー
タから読出して、上記現在位置の座標と計画線データに
よる座標との誤差が最小となるように、逐一掘進方向を
修正しながら掘進を行っていた。

【０００３】更に、曲がったトンネルを施工する場合の
ように、計画線が曲がっている場合には、上記のような
方法で掘進ずれを補正するときに、計画線の接線方向を
基準の掘進方向と決め、この接線方向にシールドマシン
の姿勢を合致させるように姿勢制御を行っていた。図５
と図６は、このような従来の掘進方向制御方法を説明す
るための説明図であり、これらの図に基づいて、更に従
来の技術を詳述する。

【０００４】図５において、１はシールドマシン、２は
シールドマシン１の先端に設けられているカッター、３
は掘進によって掘られた坑道に順次に敷設された複数の
セグメントリングであるとする。又、最先端のセグメン
トリング３とシールドマシン１の内側との間に複数の油
圧ジャッキ（図示せず）が配置され、これらの油圧ジャ
ッキのジャッキ圧を適宜に制御することによってシール
ドマシン１の掘進方向を制御するようになっている。

【０００５】図６は、掘進方向を制御するための制御部
の機能を示す機能ブロック図であり、掘進開始地点から
の掘進距離を計測する掘進距離計測手段４と、シールド
マシン１の中心軸の向いている方向（以下、実測姿勢角
という）をジャイロコンパス等によって実測する方位検
出手段５と、計画線の座標を示す計画線データを予め記
憶する計画線データ記憶手段６と、シールドマシン１の
掘進方向を補正・制御するための接線方向演算手段７及
び掘進方向決定手段８を備えている。

【０００６】そして、図５に示すような曲がった計画線
（図中、実線Ｃで示す）上のＡ１からＡ２、Ａ３の地点
を、シールドマシン１のカッター２の中心が順次に通過
するようにしてシールドマシン１を掘進させる場合に
は、方位検出手段５がシールドマシン１の向いている実
測姿勢角ａ１を実測し、更に、接線方向演算手段７が掘
進距離計測手段４で実測した掘進距離に基づいて、計画
線データ記憶手段６から地点Ａ１の理想の三次元座標の
データ（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を読出して該座標データの
接線方向ｂ１を次に掘進するときの目標姿勢角とする。

【０００７】次に、掘進方向決定手段８が、これら実測
の実測姿勢角ａ１と目標姿勢角ｂ１との角度差θを求
め、この角度差θ分の旋回動作を行いつつシールドマシ
ン１を掘進させるように、上記油圧ジャッキ等の駆動系
を制御して掘進する。次に、予め決められた距離Ｌだけ
掘進し、次の地点Ａ２に達したときに、地点Ａ１で行っ
たのと同様の処理を実行し、更に次の距離Ｌだけ掘進し
た地点Ａ３に達したときも同様の処理を実行することに
よって、計画線Ｃに沿った掘進を実現しようとしてい
る。

【０００８】このように、シールドマシン１の実際の実
測姿勢角と、計画線データ記憶手段６に予め記憶されて
いる地点Ａ１、Ａ２、Ａ３……の理想座標の接線より求
まる目標姿勢角ｂ１、ｂ２、ｂ３……を基準にして次の
掘進制御を行っている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしなら、このよう
な従来のシールドマシンの掘進方向制御方法は、シール
ドマシンを計画線上に沿って移動する点であると仮定し
て処理するものであるが、現実には、シールドマシンは
長さ及び径方向において大型の物体であって、地中で容
易に旋回動作することができない物であるため、この方
法では計画線に沿って掘進させることは現実に即さない
問題があった。

【００１０】又、図７（Ａ）に示すように、計画線が直
線から曲線（単曲線）に変化する場合に、その直線と曲
線の変化点ＢＣを連続的に掘進しながら通過させること
が必要となるので、変化点ＢＣの手前の位置から徐々に
マシンの姿勢角を変化させる制御を行っている。しか
し、従来のマシンの制御方法によれば、マシンを仮想座
標における点としてとらえ、その点における接線方向を
目標姿勢角としているので、変化点ＢＣよりも手前の直
線の計画線に対応して掘進するときはその直線方向を目
標姿勢角とし、変化点ＢＣを越えた時点以後は、曲線の
接線方向を目標姿勢角としているので、図７（Ｂ）に示
すように、変化点ＢＣで目標姿勢角が不連続となる。即
ち、図７（Ｂ）の変化を目標姿勢角の変化率で示すと図
７（Ｃ）のように不連続となる。そして、現実にはマシ
ンは体積と質量を有し且つ周囲を拘束されているので、
曲線に沿って徐々にしか方向変更を行うことができない
ことから、目標姿勢角が不連続に変化した場合には、姿
勢制御の遅れを生じたり、目標姿勢角と実際の掘進方向
との間に予知し得ないずれを生じることとなる。このよ
うなことから、上記した直線と曲線の変化点ＢＣを連続
的に掘進しながら通過するという目的を十分に実現し得
なかった。

【００１１】本発明はこのような従来の課題に鑑みてな
されたものであり、第１の目的としては、曲がった計画
線に沿って更に精度良く掘進制御を行うためのシールド
マシンの掘進方向決定方法を提供することにあり、第２
の目的は、その掘進方向決定方法により求めた目標姿勢
角に従ってマシンを精度良く計画線に沿って掘進制御す
る掘進制御方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、シールドマシンを計画線に沿って掘
進させるためのシールドマシンの掘進方向決定方法にお
いて、上記計画線の軌跡を座標データとして予め記憶
し、掘進を行う毎に、該シールドマシンの所定の２か所
の理想移動地点の座標を該計画線データから求め、これ
ら２か所の理想移動地点を結ぶ方向を掘進すべき目標姿
勢角と決めることとした。

【００１３】更に、該シールドマシンが実際に向いてい
る実測姿勢角と、上記の掘進方向決定方法によって求め
た目標姿勢角との差を最適値にするようにシールドマシ
ンの掘進方向を補正することでシールドマシンの掘進方
向を制御することとした。

【００１４】

【作用】このようなシールドマシンの掘進方向制御方法
によれば、従来技術にあっては、シールドマシンを一点
でとらえて、目標姿勢角をその点における計画線の接線
方向と決め、更に、実際のシールドマシンの向いている
実測姿勢角との差が零となるように姿勢制御するのに対
し、本発明は、計画線データから求まるシールドマシン
の２か所の理想移動地点の座標を結ぶ方向を目標姿勢角
と決め、更に、実際のシールドマシンの向いている実測
姿勢角との差をある最適値するように姿勢制御しながら
掘進するので、シールドマシンを大きさのある物体とし
てとらえ、計画線の軌跡に即してシールドマシンを掘進
・移動させることが可能となり、計画線からの実際の掘
進位置のずれを補正するための補正精度の向上を実現す
ることができる。

【００１５】更に、従来は、計画線が直線から曲線に変
化するときの変化点において、目標姿勢角が不連続とな
る問題があったが、本発明では、２か所の理想移動地点
の座標を結ぶいわゆる弦の方向を目標姿勢角とすること
から、上記直線から曲線に変化する変化点が存在して
も、常に弦が示す方向（即ち、目的姿勢角）は不連続と
はならず、目的姿勢角は連続した変化率をもって変化す
ることとなり、シールドマシンの追従性に即した制御を
行うことができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面と共に説明す
る。尚、図１は本発明の掘進方向制御方法を適用した制
御装置の一実施例の構成を示すブロック図、図２は本発
明の掘進方向制御方法の原理説明図、図３は処理動作を
説明するためのフローチャートである。

【００１７】まず、図１において制御装置の構成を説明
すると、９は掘進開始地点からの掘進距離を計測する掘
進距離計測手段、１０はシールドマシンの中心軸の向い
ている方向（実測姿勢角）をジャイロコンパス、あるい
はジャイロコンパスと光学式測量装置との組み合わせ、
若しくは傾斜計との組み合わせによって実測する方位検
出手段、１１は計画線の座標を示す計画線データを予め
記憶する計画線データ記憶手段である。

【００１８】１２は目標姿勢角演算手段であり、掘進距
離計測手段９が計測した掘進距離に基づいて、計画線デ
ータ記憶手段１１からシールドマシンの移動座標を読出
し、この移動座標のデータからシールドマシンの所定の
２か所の座標を演算し、更に、これらの２か所の座標を
結ぶ方向を目標姿勢角とする。尚、この実施例では、上
記２か所を、シールドマシンの掘進方向の中心軸とカッ
ターの先端部が交差する位置（第１の位置）と、シール
ドマシンの掘進方向の中心軸とシールドマシンの終端部
が交差する位置（第２の位置）と決めている。

【００１９】そして、この２か所の座標は、計画線デー
タ記憶手段１１に予め記憶されている掘進距離に対応し
た理想的な座標から演算されるので、シールドマシンの
現実の掘進位置ではなく、理想的な座標を示すこととな
る。１３は目標姿勢角演算手段１２で求まる目標姿勢角
と、方位検出手段１０から求まるシールドマシンの実測
の実測姿勢角に基づいて、シールドマシンの姿勢を補正
制御するための掘進方向決定手段である。

【００２０】次に、掘進方向制御の原理を具体的な処理
動作と共に説明する。例えば、図２中のＳ１が掘進開始
地点であり、三次元座標が（ｘ０，ｙ０，ｚ０）であ
り、実線Ｃが計画線であるとする。計画線データ記憶手
段１１には計画線Ｃの軌跡を座標データと予め記憶して
ある。地点Ｓ１から距離Ｌだけシールドマシン１４が掘
進すると、掘進距離計測手段９が図３のステップ１００
及び１１０の処理によって距離Ｌを計測する。 次に、
目標姿勢角演算手段１２が、ステップ１２０において、
掘進距離Ｌにおけるシールドマシン１４の理想的な移動
位置の座標を計画線データ記憶手段１１から読み出し、
更に、この計画線データに基づいて三角関数等の演算を
行うことにより、シールドマシン１４の第１の位置Ａ１
１の三次元座標（ｘ１１，ｙ１１，ｚ１１）と、第２の
位置Ａ１２の三次元座標（ｘ１２，ｙ１２，ｚ１２）を
求める。

【００２１】即ち、図２中に実線の四角１４で示すのが
理想の位置にあるシールドマシンとすると、計画線Ｃと
位置Ａ１１が交差する部分がシールドマシンのカッター
先端、計画線Ｃと位置Ａ１２が交差する部分がシールド
マシンの終端部となり、理想的な場合の位置Ａ１１，Ａ
１２の座標を求めることとなる。次に、ステップ１３０
において、目標姿勢角演算手段１２は、位置Ａ１１とＡ
１２を結ぶ三次元の方向ｂ１（α１，β１，γ１）を三
角関数等の演算を行うことによって求め、これを目標姿
勢角と決定する。

【００２２】次に、ステップ１４０において、方位検出
手段１０がシールドマシンの実際の実測姿勢角ａ１を計
測する。即ち、図２中の点線の四角１４’が実際のシー
ルドマシンの移動位置を示すものとすると、実際には理
想的な場合よりずれた方向を示すので、実際の実測姿勢
角ａ１を計測する。

【００２３】ステップ１５０では、掘進方向決定手段１
３が、実際の実測姿勢角と目標姿勢角との三次元の角度
差（Δα１，Δβ１，Δγ１）を求め、ステップ１６０
では各角度差を零とするように姿勢制御のための油圧ジ
ャッキ等を駆動制御して次の掘進を行わせる。このよう
な処理を距離Ｌの掘進毎に行い、ステップ１７０におい
て、全ての計画線についての掘進を完了したと判断する
まで繰り返す。

【００２４】このように、この実施例によれば、シール
ドマシンの２か所を結ぶ方向を目標姿勢角、即ち基準の
方位角とし、現実の掘進方向との角度差を補正するよう
にして順次掘進を行うので、シールドマシンを大きさの
ある物体として捉えて、実際に即した掘進方向の制御を
行うことができる。更に、図４（Ａ）に示すように、計
画線が直線から曲線に変化する場合に、２か所を結ぶこ
とで得られるいわゆる弦の方向を目標姿勢角と決めるの
で、直線から曲線に変化する変化点ＢＣが存在しても、
常に弦が示す方向（即ち、目的姿勢角）は不連続とはな
らない。即ち、変化点ＢＣに対応する目標姿勢角の変化
及び変化率は、図４（Ｂ）（Ｃ）に示すように、連続し
た変化率をもって変化することとなり、シールドマシン
の追従性に即した制御を行うことができる。

【００２５】尚、この実施例では、上記２か所をカッタ
ーの先端部とシールドマシンの終端部の位置としたが、
任意の２か所を適応してもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、計
画線データから求まるシールドマシンの２か所の理想移
動地点の座標を結ぶ方向を目標姿勢角と決め、更に、実
際のシールドマシンの向いている実測姿勢角との差をあ
る最適値するように姿勢制御しながら掘進するので、シ
ールドマシンを大きさのある物体としてとらえ、計画線
の軌跡に即してシールドマシンを掘進・移動させること
が可能となり、計画線からの実際の掘進位置のずれを補
正するための補正精度の向上を実現することができる。

【００２７】更に、２か所の理想移動地点の座標を結ぶ
いわゆる弦の方向を目標姿勢角とすることから、計画線
が直線から曲線に変化する変化点が存在しても、常に弦
が示す方向（即ち、目的姿勢角）は不連続とはならず、
目的姿勢角は連続した変化率をもって変化することとな
り、シールドマシンの追従性に即した制御を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシールドマシンの掘進方向制御方法を
適用した制御装置の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の制御原理を説明するための説明図であ
る。

【図３】図１の制御装置の処理動作を説明するフローチ
ャートである。

【図４】実施例の作用効果を説明するための説明図であ
る。

【図５】従来の掘進方向制御方法の一例を説明するため
の説明図である。

【図６】従来の掘進方向制御方法を適用した制御装置の
構成を示すブロック図である。

【図７】従来の問題点を説明するための説明図である。

【符号の説明】

９；掘進距離計測手段 １０；方位検出手段 １１；計画線データ記憶手段 １２；目標姿勢角演算手段 １３；掘進方向決定手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シールドマシンを計画線に沿って掘進させ
   るためのシールドマシンの掘進方向決定方法において、 前記計画線の軌跡を座標データとして予め記憶し、 掘進を行う毎に、該シールドマシンの所定の２か所の理
   想移動地点の座標を該計画線データから求め、これら２
   か所の理想移動地点を結ぶ方向を掘進すべき目標姿勢角
   と決めることを特徴とするシールドマシンの掘進方向決
   定方法。
2. 【請求項２】シールドマシンを計画線に沿って掘進させ
   るためのシールドマシンの掘進制御方法において、 前記計画線の軌跡を座標データとして予め記憶し、 掘進を行う毎に、該シールドマシンの所定の２か所の理
   想移動地点の座標を該計画線データから求め、これら２
   か所の理想移動地点を結ぶ方向を掘進すべき目標姿勢角
   と決め、 更に、該シールドマシンが実際に向いている実測姿勢角
   と該目標姿勢角との差を最適値にするようにシールドマ
   シンの掘進方向を補正することを特徴とするシールドマ
   シンの掘進方向制御方法。